长河坝上坝运输车自动加水监控系统设计与分析

邓韶辉，吕 菲，由广昊，刘建坤，李元元

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072; 2.四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川康定626001； 3.中国电建集团中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都610081)

1 工程概况

长河坝水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，为一等大(1)型水电工程。枢纽建筑物主要由砾石土心墙坝、泄洪系统、引水发电系统等组成，最大坝高240.0 m。在大坝施工过程中，坝料含水率对坝体施工质量影响巨大，因此需要根据不同坝料的最优含水量进行合理定量加水，进而保证坝面的最大压实度以及大坝施工质量。

传统高砾石土心墙堆石坝坝料加水多采用人工控制、事后检查的方式，不能准确控制加水量，难以保证大坝施工质量[1]。针对这一问题，科研人员以及技术人员进行了多方研究，在加水过程引入了无线射频技术(RFID-Radio Frequency Identification)并实现了加水量的自动控制。RFID技术是一种基于电磁信号检测的无线传感器技术，近年来被广泛应用于自动化施工领域[2-3]。Goodrun[4]将有源RFID技术应用于施工现场的工具追踪；Soungho Chae等[5]利用RFID技术防止挖掘机、起重机等重型设备发生碰撞事故； L.C. Wang[6]提出了一个基于RFID的质量管理系统。后来，RFID技术被引入水利工程施工领域，钟登华[7]等首次提出了一种土石坝施工坝料运输车的加水量监控系统以及监控方法，以实现对加水过程的自动监控和管理。随后，杜三林、钟登华[8]等对该加水系统又加以改进，针对现有的根据加水时间确定加水量的间接控制方法，提出了新型加水技术，设置了加水流量计，并与FIRD以及报警器信号连接形成集成控制机。但是在200 m以上的高土石坝施工中还缺乏较为成熟的自动加水监控系统的理论分析与实际运用。本文针对长河坝施工特点，引入新型加水技术，研发了一套基于RFID、GPRS以及物联网技术的土石方运输车辆加水量全天候、远程、自动监控系统(WAM-Watering Auto Monitor)，即上坝运输车自动加水监控系统(以下简称“系统”)。

2 系统结构设计

系统共分为加水控制系统Web应用、加水控制系统客户端、GPRS服务端、短信预警系统以及RFID系统5个子系统，集成了无线射频技术(RFID-Radio Frequency Identification)、自动控制技术和GPRS技术。其中，RFID用于唯一标识洒水车并记录卡车进出水站的时间从而计算出实际浇水时间，GPS和GIS用于对料场和运输车辆进行定位，以确定每辆自卸汽车装载的坝料类型，现场掌上电脑(Personal Digital Assistant， PDA)用来收集坝料含水量等实时监控数据并存储于远程数据库服务器，GPRS服务端用来对远程环境(数据库、服务器、远程办公监控电脑)与现场环境(加水工作台)进行无线数据交互。5个子系统相互配合，协作运行，有效保证了土石方运输车辆加水量的准确性，避免了人工操作的误差以及常规加水量监控的局限性，从而实现了按车按量精细监控，确保了加水量满足设定的标准要求。

系统工作流程如图1所示。在加水车到达加水站点之前先在加水车上安装无线射频卡用来存储加水车辆信息，并连接加水控制系统Web应用程序配置加水车辆信息、加水站点信息；当车辆驶入加水区域后，LED屏显示请驶入加水位置，读卡器读取车辆ID卡号，对有效卡号的车辆进行加水，控制系统打开电磁阀、流量计开始记流量，此时LED显示加水中，同时显示实时的加水流量；当车辆加水量达到额定加水量时，LED指示装置显示加水完成，同时关闭电磁阀门，车辆驶离加水区域；控制中心通过对实际加水量与应加水量进行对比判断本次加水是否达标，若不达标则通过短信预警系统对不符合标准的加水车辆提供短信预警、信号灯预警，并且对未完成的加水车进行二次加水，二次加水的间隔时间为1 h；加水完成后通过GPRS模块将加水数据发往中心机房数据库服务器，整个加水过程完成。加水完成后，通过GPRS服务端完成对控制系统的数据交互，通过RFID系统对车辆进行身份设别、配发唯一识别号码。然后，通过加水系统控制客户端实现车辆自动加水完成预期的效果，集成GPRS收发器自动完成对车辆加水信息的更新。

图1 上坝运输车自动加水监控系统工作流程

3 系统的实现与分析

3.1 加水控制系统Web应用

加水控制系统Web应用子系统主要任务是提供车辆信息的管理情况、查询加水信息和预警等。主要包括系统的登陆界面，车辆信息维护，加水信息预警，加水站点状态，短信号码维护，加水信息查询，加水信息统计，站点DTU管理以及人员信息维护等。

3.2 加水控制系统客户端

施工现场客户端是整个自动加水控制系统的核心与基础，整个加水系统的基础数据是由现场客户端系统根据施工设定标准对运料车辆进行加水并通过获取实际加水量值得到的，并且整个加水系统的业务逻辑也是由该系统的正常运行来保证的，该系统还承担了数据的发送任务、各硬件设备的运行监控及控制任务。该系统包含的功能较多，实现难度也较大。主要包括设备监控、参数设定、设备测试、车辆查询、日志查看等功能。设备监控界面如图2所示，通过该界面可以及时有效地了解各设备的运行情况，系统界面采用了仪表盘式结构，虚拟加水过程实际场景，并且仪表盘中各设备与实际设备一一对应，通过对各设备状态的颜色变化，描述设备的运行情况。施工现场客户端系统中设备包括电磁阀、RFID读卡器、LED显示屏、GPRS模块，报警器、电磁流量计，另外涉及到加水操作相关的车辆信息包括车辆号、加水量。当设备处于工作状态时指示灯显示绿色，当设备处于非工作状态时指示灯显示红色。同时在界面右侧显示系统运行日志，以文字方式显示系统当前情况，另外系统日志以文件方式存储于客户端。该功能的实现依赖于实际加水过程，通过相应的逻辑分析与过程设置，动态显示加水全过程。

图2 设备监控界面

3.3 GPRS服务端

服务端的主要功能有客户端加水数据的解析、加水报警信息的判断生成、远程站点的启动、加水数据的导入、GPRS模块测试、报警短信的发送。服务器端程序界面如图3所示，包括站点运行状态、远程启动、导入加水数据、数据接收区4个部分。站点运行状态显示当前时刻站点的工作状态，其中，设备ID为GPRS模块ID，手机号为GPRS模块安装的手机号，登陆时间为GRPS模块连接上服务器的时间。

图3 服务器端程序界面

3.4 短信预警系统

系统提供了专门用于发送短信的平台，对加水车辆不满足要求的信息进行短信预警。此系统为服务程序，需要打开相应的串口波特率并设定具备通信的条件，在与数据库交互时需设定数据库配置文件并测试数据库连接情况。系统的轮询时间即为多长时间发送一次短信，可以自行设定，通过手机号码可以测试短信发送成功与否，接收短信号码及短信发送成功与否可以通过Web系统查询(浏览器客户端功能)。

3.5 RFID发卡系统

RFID发卡系统采用有源RFID技术，主要功能是接收和解码从ID卡传来的信息。该子系统的数据处理程序主要包括以下两方面内容：一是发放ID卡，记录每辆车的ID号、装载量、车牌号、加水量等信息；二是当某辆运输车进入RFID有源区内时，系统从ID卡上不断读取相关信息，并将其发送到加水控制系统客户端，当车辆驶出有源区时则停止记录。实际操作过程中，当选择好相应的车辆后，在读卡器上放入ID片，系统即可自动获取卡号，完成信息的自动读取和传递。

4 系统应用结果分析

长河坝心墙堆石坝上坝料加水实时监控系统界面如图4所示，系统于2012年10月11日开始运行，已完成施工单位上报的全部88辆上坝车辆射频卡的安装与调试工作，上游围堰第1套加水站已正常运行770余天，下游围堰第2套加水站系统正常运行300余天，9号1洞第3套加水站系统已正常运行110余天。2015年2月10日，经过调整改造，在上游16号洞安装第4套加水系统，在9号洞处安装第5套自动加水系统，统计监控时段内的加水情况。

图4 上坝料加水实时监控系统界面

系统运行后保证了运输车24 h连续自动监控，实现了水量自动控制，加水信息实时传输、实时查询以及加水不达标自动报警，并且能够按期统计汇总运输车加水情况，形成报表上报相关部门。截至2016年8月31日，共监控上坝运输车辆加水 123 179车次。

5 结 论

本文针对传统坝料加水不能准确控制加水量等问题，设计研发了一套基于RFID、GPS、GPRS以及物联网技术的上坝运输车自动加水监控系统，提高了施工效率，保障了施工质量，从根本上解决了加水信息定性分析的不确定性、不合理性等问题。系统成功运用于长河坝砾石土心墙堆石坝，为坝料上坝运输加水提供了很好的理论依据和技术指导。

[1] 张国辉, 卢学岩. 碾压式土石坝压实质量控制中若干问题的浅析[J]. 吉林水利, 2008(10)： 5- 8.

[2] DOMDOUZIS K, KUMAR B, ANUMBA C. Radio-Frequency Identification (RFID) applications: A brief introduction[J]. Advanced Engineering Informatics, 2007, 21(4): 350-355．

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[4] GOODRUM P M, MCLAREN M A, DURFEE A. The application of active radio frequency identification technology for tool tracking on construction job sites[J]. Automation in Construction, 2006, 15(3): 292- 302．

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[6] WANG L C. Enhancing construction quality inspection and management using RFID technology[J]. Automation in Construction, 2008, 17(4): 467- 479．

[7] 钟登华, 刘东海, 崔博, 等. 土石坝施工坝料运输车的加水量监控系统及其监控方法: 中国, CN102023600A[P]. 2010．

[8] 杜三林, 钟登华, 刘军, 等. 土石坝填筑料精确加水监控系统: 中国， CN203366139U[P]. 2013．